Полевой транзистор n типа: Полевые транзисторы. For dummies / Хабр

Содержание

Полевые транзисторы | Электротехника

Полевыми транзисторами называют активные полупроводниковые приборы, в которых выходным током управляют с помощью электрического поля (в биполярных транзисторах выходной ток управляется входным током). Полевые транзисторы называют также униполярными, так как в процессе протекания электрического тока участвует только один вид носителей.

Различают два вида полевых транзисторов: с управляющим переходом и с изолированным затвором. Все они имеют три электрода: исток (источник носителей тока), затвор (управляющий электрод) и сток (электрод, куда стекают носители).

Транзистор с управляющим p—n-переходом. Его схематическое изображение приведено на рис. 1.21, а условное графическое обозначение этого транзистора – на рис. 1.22, а, б (p— и n-типов соответственно). Стрелка указывает направление от слоя р к слою п (как и стрелка в изображении эмиттера биполярного транзистора). В интегральных микросхемах линейные размеры транзисторов могут быть существенно меньше 1 мкм.

Рис. 1.22 Устройство транзистора

Рис. 1.23 Графическое изображение: а – канал р-типа; б – канал n-типа

Удельное сопротивление слоя n (затвора) намного меньше удельного сопротивления слоя р (канала), поэтому область р-n-перехода, обедненная подвижными носителями заряда и имеющая очень большое удельное сопротивление, расположена главным образом в слое р.

Если типы проводимости слоев полупроводника в рассмотренном транзисторе изменить на противоположные, то получим полевой транзистор с управляющим
р-n-переходом и каналом n-типа. Если подать положительное напряжение между затвором и истоком транзистора с каналом р-типа: и_зи > 0, то оно сместит p—n-переход в обратном направлении.

При увеличении обратного напряжения на переходе он расширяется в основном за счет канала (в силу указанного выше различия в удельных сопротивлениях). Увеличение ширины перехода уменьшает толщину канала и, следовательно, увеличивает его сопротивление. Это приводит к уменьшению тока между истоком и стоком. Именно это явление позволяет управлять током с помощью напряжения и соответствующего ему электрического поля. Если напряжение и_зи достаточно велико, то канал полностью перекрывается областью p—n-перехода (напряжение отсечки).

В рабочем режиме р—n-переход должен находиться под обратным или нулевым напряжением. Поэтому в рабочем режиме ток затвора примерно равен нулю (i_з? 0), а ток стока практически равен току истока.

На ширину р—n-перехода и толщину канала прямое влияние также оказывает напряжение между истоком и стоком. Пусть u_зи = 0 и подано положительное напряжение u_ис(рис. 1.24). Это напряжение окажется поданным и на промежуток затвор – сток, т. е. окажется, что u_зс = u_ис_{и р—n-переход находится под обратным напряжением.}

Обратное напряжение в различных областях р—n-перехода различно. В областях вблизи истока это напряжение практически равно нулю, а в областях вблизи стока это напряжение примерно равно величине u_ис. Поэтому p—n-переход будет шире в тех областях, которые ближе к стоку. Можно считать, что напряжение в канале от истока к стоку увеличивается линейно.

При u_ис = U_зи_отс канал полностью перекроется вблизи стока (рис. 1.25). При дальнейшем увеличении напряжения u_ис эта область канала, в которой он перекрыт, будет расширяться.

Рис. 1.24 Принцип действия транзистора

Рис. 1.25 Режим отсечки

Схемы включения транзистора. Для полевого транзистора, как и для биполярного, существуют три схемы включения: схемы с общим затвором (03), общим истоком (ОИ) и общим стоком (ОС). Наиболее часто используются схемы с общим истоком (рис. 1.26).

Так как в рабочем режиме i_c ? 0, то входные характеристики обычно не рассматриваются.

Выходные (стоковые) характеристики. Выходной характеристикой называют зависимость вида

где f – некоторая функция.

Выходные характеристики для транзистора с р—n-переходом и каналом n-типа приведены на рис. 1.27.

Обратимся к характеристике, соответствующей условию u_зи = 0. В линейной области (u_ис < 4 В) характеристика почти линейна (все характеристики этой области представляют собой почти прямые линии, веерообразно выходящие из начала координат). Она определяется сопротивлением канала. Транзистор, работающий в линейной области, можно использовать в качестве линейного управляемого сопротивления.

При u_ис > 4 В канал в области стока перекрывается. Дальнейшее увеличение напряжения приводит к очень незначительному росту тока, так как с увеличением напряжения область, в которой канал перекрыт, расширяется. При этом сопротивление промежутка исток-сток увеличивается, а ток i_c практически не изменяется. Это область насыщения. Ток стока в области насыщения u_зи = 0 и при заданном напряжении и_синазывают начальным током стока и обозначают через i_c_нач. Для рассматриваемых характеристик i_c_нач = 5 мА при и_си = 10 В.

Рис. 1.26 Схема с общей базой

Рис. 1.27 Выходные характеристики

Параметрами, характеризующими свойства транзистора усиливать напряжение, являются:

1) Крутизна стокозатворной характеристики S (крутизна характеристики полевого транзистора):

2) Внутреннее дифференциальное сопротивление Rис диф

3) Коэффициент усиления

Можно заметить, что

Транзисторы с изолированным затвором. Полевой транзистор с изолированным затвором – это транзистор, затвор которого отделен в электрическом отношении от канала слоем диэлектрика. Физической основой работы таких транзисторов является эффект поля, который состоит в изменении концентрации свободных носителей заряда в приповерхностной области полупроводника под действием внешнего электрического поля. В соответствии с их структурой такие транзисторы называют МДП-транзисторами (металл-диэлектрик-полупроводник) или МОП-транзисторами (металл-оксид-полупроводник). Существуют две разновидности МДП-транзисторов: с индуцированным и со встроенным каналами.

Рис. 1.28 Устройство МДП-транзистора со встроенным каналом n-типа

На рис. 1.28 показан принцип устройства транзистора со встроенным каналом.

Основанием (подложкой) служит кремниевая пластинка с электропроводностью p-типа. В ней созданы две области с электропроводностью n⁺-типа с повышенной проводимостью. Эти области являются истоком и стоком и от них сделаны выводы. Между стоком и истоком имеется приповерхностый канал с электропроводностью n-типа. Заштрихованная область – диэлектрический слой из диоксида кремния (его толщина обычно составляет 0,1 – 0,2 мкм). Сверху диэлектрического слоя расположен затвор в виде тонкой металлической пленки. Кристалл такого транзистора обычно соединен с истоком, и его потенциал принимается за нулевой. Иногда от кристалла бывает сделан отдельный вывод.

Если к затвору приложено нулевое напряжение, то при подаче между стоком и истоком напряжения через канал потечет ток, представляющий собой поток электронов. Через кристалл ток не пойдет, так как один из p—n-переходов находится под обратным напряжением. При подаче на затвор напряжения отрицательной полярности относительно истока (следовательно, и кристалла) в канале образуется поперечное электрическое поле, которое выталкивает электроны из канала в области истока, стока и кристалла. Канал обедняется электронами, его сопротивление увеличивается, ток уменьшается. Чем больше напряжение на затворе, тем меньше ток. Такой режим называется режимом обеднения. Если подать положительное напряжение на затвор, то под действием поля из областей стока, истока и кристалла в канал будут приходить электроны. Сопротивление канала падает, ток увеличивается. Такой режим называется режимом обогащения. Если кристалл n-типа, то канал должен быть p-типа и полярность напряжения меняется на противоположную.

Другим типом является транзистор с индуцированным (инверсным) каналом (рис. 1.29). От предыдущего он отличается тем, что канал возникает только при подаче на затвор напряжения определенной полярности.

При отсутствии напряжения на затворе канала нет, между истоком и стоком
n⁺-типа расположен только кристалл p-типа и на одном из p-n⁺-переходов получается обратное напряжение. В этом состоянии сопротивление между стоком и истоком велико и транзистор закрыт. При подаче на затвор напряжения положительной полярности под влиянием поля затвора электроны проводимости будут перемещаться из областей стока и истока и p-области по направлению к затвору. Когда напряжение на затворе достигает своего отпирающего (порогового) значения (еденицы вольт), в приповерхностном слое концентрация электронов настолько увеличивается, что превышает концентрацию дырок, и в этом слое произойдет так называемая инверсия типа электропроводности, т.е. образуется тонкий канал n-типа, и транзистор начнет проводить ток. Чем больше напряжение на затворе, тем больше ток стока. Очевидно, что такой транзистор может работать только в режиме обогащения. Если подложка n-типа, то получится индуцированный канал p-типа. Транзисторы с индуцированным каналом часто встречаются в устройствах переключения. Схемы включения полевых транзисторов подобны схемам включения биполярных. Следует отметить, что полевой транзистор позволяет получить намного больший коэффициент усиления, нежели биполярный. Обладая высоким входным сопротивлением (и низким выходным) полевые транзисторы постепенно вытесняют биполярные.

По электропроводности канала различают p-канальные и n-канальные МДП-транзисторы. Условное обозначение этих приборов на электрических схемах показано на рис. 1.30. Существует классификация МДП-транзисторов по конструктивно-технологическим признакам (чаще по виду материала затвора).

Рис. 1.30 Условные графические обозначения полевых транзисторов
с изолированным затвором: а – со встроенным р-каналом; б – со встроенным
n-каналом; в – с индуцированным p-каналом; г – с индуцированным n-каналом

Интегральные микросхемы, содержащие одновременно p—канальные и n-канальные МДП-транзисторы, называют комплементарными (сокращенно КМДП-ИМС). КМДП-ИМС отличаются высокой помехоустойчивостью, малой потребляемой мощностью, высоким быстродействием.

Частотные свойства полевых транзисторов определяются постоянной времени RC-цепи затвора. Поскольку входная емкость Сзи у транзисторов с р—n-переходом велика (десятки пикофарад), их применение в усилительных каскадах с большим входным сопротивлением возможно в диапазоне частот, не превышающих сотен килогерц – единиц мегагерц.

При работе в переключающих схемах скорость переключения полностью определяется постоянной времени RC-цепи затвора. У полевых транзисторов с изолированным затвором входная емкость значительно меньше, поэтому их частотные свойства намного лучше, чем у полевых транзисторов с р-n-переходом.

Виды полевых транзисторов: МДП, схемы, характеристики ВАХ

Пример HTML-страницы

Содержание

Полевые транзисторы с изолированным затвором.
МДП-транзистор со встроенным каналом.
МДП-транзистор с индуцированным (наведенным) каналом.

Полевые транзисторы с изолированным затвором.

В транзисторах этого типа затвор отделен от полупроводника слоем диэлектрика, в качестве которого в кремниевых приборах обычно используется двуокись кремния. Эти транзисторы обозначают аббревиатурой МОП (металл-окисел-полупроводник) и МДП (металл-диэлектрик-полупроводник). В англоязычной литературе их обычно обозначают аббревиатурой MOSFET или MISFET (Metal-Oxide (Insulator) —Semiconductor FET).

В свою очередь МДП-транзисторы делят на два типа.

В так называемых транзисторах со встроенным (собственным) каналом (транзистор обедненного типа) и до подачи напряжения на затвор имеется канал, соединяющий исток и сток.

В так называемых транзисторах с индуцированным каналом (транзистор обогащенного типа) указанный выше канал отсутствует.

МДП-транзисторы характеризуются очень большим входным сопротивлением. При работе с такими транзисторами надо предпринимать особые меры защиты от статического электричества. Например, при пайке все выводы необходимо закоротить.

МДП-транзистор со встроенным каналом.

Канал может иметь проводимость как p-типа, так и n-типа. Для определенности обратимся к транзистору с каналом p -типа. Дадим схематическое изображение структуры транзистора (рис. 1.97), условное графическое обозначение транзистора с каналом p-типа (рис. 1.98, а) и с каналом n-типа (рис. 1.98, б). Стрелка, как обычно, указывает направление от слоя p к слою n.

Рассматриваемый транзистор (см. рис. 1.97) может работать в двух режимах: обеднения и обогащения.

Режиму обеднения соответствует положительное напряжение uзи. При увеличении этого напряжения концентрация дырок в канале уменьшается (так как потенциал затвора больше потенциала истока), что приводит к уменьшению тока стока.

Если напряжение uзи больше напряжения отсечки, т. е. если u зи>uзи_отс, то канал не существует и ток между истоком и стоком равен нулю.

Режиму обогащения соответствует отрицательное напряжение uзи. При этом, чем больше модуль указанного напряжения, тем больше проводимость канала и тем больше ток стока.

Приведем схему включения транзистора (рис. 1.99).

На ток стока влияет не только напряжение uзи, но и напряжение между подложкой и истоком uпи. Однако управление по затвору всегда предпочтительнее, так как при этом входные токи намного меньше. Кроме того, наличие напряжения на подложке уменьшает крутизну.

Васильев Дмитрий Петрович

Профессор электротехники СПбГПУ

Задать вопрос

Подложка образует с истоком, стоком и каналом p-n-переход. При использовании транзистора необходимо следить за тем, чтобы напряжение на этом переходе не смещало его в прямом направлении. На практике подложку подключают к истоку (как показано на схеме) или к точке схемы, имеющей потенциал, больший потенциала истока (потенциал стока в приведенной выше схеме меньше потенциала истока).

Изобразим выходные характеристики МДП-транзистора (встроенный p-канал) типа КП201Л (рис. 1.100) и его стокозатворную характеристику (рис. 1.101).

МДП-транзистор с индуцированным (наведенным) каналом.

Канал может иметь проводимость как p-типа, так и n-типа. Для определенности обратимся к транзистору с каналом p-типа. Дадим схематическое изображение структуры транзистора (рис. 1.102), условное графическое обозначение транзистора с индуцированным каналом p -типа (рис. 1.103, а) и каналом n-типа (рис. 1.103, б).

При нулевом напряжении uзи канал отсутствует (рис. 1.102) и ток стока равен нулю. Транзистор может работать только в режиме обогащения, которому соответствует отрицательное напряжение uзи. При этом uиз > 0.Если выполняется неравенство uиз>u из порог, где u из порог — так называемое пороговое напряжение, то между истоком и стоком возникает канал p-типа, по которому может протекать ток.

Канал p-типа возникает из-за того, что концентрация дырок под затвором увеличивается, а концентрация электронов уменьшается, в результате чего концентрация дырок оказывается больше концентрации электронов.

Абрамян Евгений Павлович

Доцент кафедры электротехники СПбГПУ

Задать вопрос

Описанное явление изменения типа проводимости называют инверсией типа проводимости, а слой полупроводника, в котором оно имеет место (и который является каналом), — инверсным (инверсионным). Непосредственно под инверсным слоем образуется слой, обедненный подвижными носителями заряда. Инверсный слой значительно тоньше обедненного (толщина инверсного слоя 1 · 10 – 9…5 · 10– 9 м, а толщина обедненного слоя больше в 10 и более раз).

Изобразим схему включения транзистора (рис. 1.104), выходные характеристики (рис. 1.105) и стокозатворную характеристику (рис. 1.106) для МДП-транзистора с индуцированным p-каналом КП301Б.

Полезно отметить, что в пакете программ Micro-Cap II для моделирования полевых транзисторов всех типов используется одна и та же математическая модель (но, естественно, с различными параметрами).

Полевой транзистор (FET) | P-Channel JFET

Здесь я обсуждаю тему FET. FET — это еще одно полупроводниковое устройство, такое как BJT, которое можно использовать в качестве переключателя, усилителя, резистора и т. д.

FET состоит из 3 клемм.

Слив(D)
Источник(и)
Ворота(G)

В этих 3 терминалах терминал Gate действует как управляющий терминал. Мы знаем, что BJT действует как устройство управления током. Таким образом, полевой транзистор также действует как устройство управления напряжением. Здесь напряжение между затвором и истоком управляет током стока. Таким образом, это называется устройством, управляемым напряжением.

Outline

FET Особенности:

FET более устойчив к температуре по сравнению с BJT
Требуется меньше места по сравнению с BJT. Поэтому он широко используется в схемах.

FET имеет более высокое входное сопротивление. Таким образом, это более полезно в усилителях.

Типы полевых транзисторов:

Соединительный полевой транзистор
МЕСФЕТ
МОП-транзистор

Здесь я обсуждаю тему JFET.

Соединительный полевой транзистор (JFET): В основном JFET подразделяются на 2 типа.

N-канальный JFET
P-канал JFET

N-канальный JFET: Когда мы рассматриваем кремниевый стержень и изготовленный n-тип на двух его концах и сильно легированные материалы p-типа на каждой стороне стержня, тонкая область останется, как показано на рисунке это канал. Поскольку этот канал находится в полосе n-типа, он называется n-канальным полевым транзистором. Здесь ток переносится электронами.

P-канальный полевой транзистор:

Когда мы рассматриваем кремниевый стержень и изготовленный p-тип на двух его концах и сильно легированные материалы n-типа на каждой стороне стержня, здесь остается тонкая область, как показано на рисунке, это канал. Поскольку этот канал находится в полосе n-типа, он называется p-канальным полевым транзистором. Здесь ток переносится дырками.

Обозначения N-канальных JFET и P-канальных JFET:

JFET со смещением:

JFET без смещения: Результатом является обедненная область на каждом соединении, как показано на рисунке.

Операция: В JFET p-n переход между истоком и затвором всегда поддерживается в условиях обратного смещения. Следовательно, практически в условиях обратного смещения ток меньше (нуль).

Рассмотрим N-канальный JFET с открытым затвором и подачей питания между затвором и истоком, как показано на рисунке. Из-за полярности приложенного напряжения основные носители начинают течь от истока к стоку. Большинство носителей в основном перемещаются через пространство между областями затвора. Это пространство известно как канал. Шириной канала можно управлять, изменяя напряжение на затворе. Эффект изменения ширины можно наблюдать в следующих случаях.

Когда мы подключили N-канальный JFET с затвором, напрямую подключенным к терминалу источника. При подаче напряжения стока через канал протекает ток стока. Это приводит к тому, что падение напряжения на обедненной области проникает в канал. Поскольку затвор сильно легирован, а канал слабо легирован, ширина области обеднения распространяется на канал.

Таким же образом, если мы приложим меньшее напряжение к затвору, мы можем получить обедненную область, как показано на рисунке, а если мы приложим большее напряжение к затвору, мы можем получить обедненную область, которая покрывает весь канал без каких-либо зазоров. Таким образом, ток от стока к истоку через канал не течет.

Напряжение от затвора к истоку, вызывающее отсечку, называется напряжением отсечки.

V-I Характеристики N-Channel JFET:

Похожие сообщения:

Характеристики и работа P-N Junction2

4 Diode7 Полупроводниковые диоды

N-канальный МОП-транзистор: работа и его характеристики

N-канальный МОП-транзистор представляет собой тип полевого транзистора на основе оксида металла и полупроводника, который относится к категории полевых транзисторов (FET). Работа MOSFET-транзистора основана на конденсаторе. Этот тип транзистора также известен как полевой транзистор с изолированным затвором (IGFET). Иногда его также называют полевым транзистором с металлическим изолятором (MIFET). Этот тип транзистора далее классифицируется как p-тип и n-тип. Эти полевые МОП-транзисторы p-типа и n-типа далее классифицируются как полевые МОП-транзисторы на основе усиления и истощения.

Эта классификация основана на формировании канала ранее или на операции, вызванной существующим каналом. Эти транзисторы также состоят из трех выводов, которые называются истоком, стоком и затвором. Функциональность полевых МОП-транзисторов зависит от этих клемм.
Полевой МОП-транзистор, в котором проводимость обусловлена каналом основных носителей заряда, называемых электронами. Когда этот полевой МОП-транзистор активируется как ON, это условие приводит к максимальной величине тока, протекающего через устройство. Этот тип MOSFET определяется как N-канальный MOSFET.
Символы для N-канальных типов истощения и расширения

Эти n-канальные полевые МОП-транзисторы дополнительно классифицируются как
N-канальные с улучшенными полевыми МОП-транзисторами и
.
N-канальный с истощением MOSFET
Рабочий
Работа n-канального МОП-транзистора основана на большинстве носителей, которые представляют собой электроны. Эти электроны движутся в канале, отвечающем за протекание тока в транзисторе. Материал р-подложки необходим для формирования выводов затвора.
(1) N-канальный полевой МОП-транзистор с улучшенными свойствами
В n-канальных полевых МОП-транзисторах корпус формируется из материала p-подложки, который технически называется подложкой. Материал n-типа необходим для формирования выводов, называемых истоком и стоком. Здесь примеси p-подложки легированы с небольшой концентрацией, тогда как n-тип легирован сильно.
N-Channel Enhancement MOSFET
Корпус устройства p-типа и клеммный исток соединены с общей землей. На клеммный затвор подается напряжение положительной полярности. Из-за этого позитивизма он соответствует эффекту конденсатора. Следовательно, в р-подложке неосновные носители, представляющие собой свободные электроны, притягиваются и движутся к концевому затвору.
Благодаря этому под слоем диэлектрика образуется слой непокрытых ионов, где происходят соединения дырок с электронами. По мере того, как приложенное положительное напряжение постепенно увеличивается и пересекает минимальный порог, электроны, которые являются неосновными носителями, смогут преодолеть рекомбинацию с дырками, и они образуют канал между двумя материалами р-типа.
Дальнейшее приложение положительного значения напряжения на стоке приводит к протеканию тока через транзистор. Концентрация электронов зависит от приложенного потенциала. Эти концентрации электронов ответственны за формирование канала, и приложение напряжения на затворе усиливает протекание тока. Поэтому он называется N-канальным МОП-транзистором усовершенствованного типа.
Перейдите по этой ссылке, чтобы узнать больше о MOSFET MCQ
(2) МОП-транзистор с истощением канала N
Конструкция похожа на улучшенный МОП-транзистор, но работа отличается от него. Пространство между выводами стока и выводом истока состоит из примесей n-типа. Разность потенциалов, приложенных к стоку и истоку, приводит к протеканию тока через область n.
МОП-транзистор с истощением канала N
На затвор подается напряжение с отрицательной полярностью. Присутствующие в нем электроны отталкиваются и оседают на диэлектрическом слое. По этой причине происходит истощение носителей заряда, что приводит к снижению общей проводимости.